Гранично допустимі режими експлуатації

Напруга живлення	13,5...16,5 В
Вхідна напруга
Опір навантаження
Тепловий опір кристал-корпус	3° С/Вт
Температура оточуючого середовища	-10...+70°С

Рекомендації для застосування

Допускається короткочасне підвищення напруги живлення до 40В і вхідної напруги до 1.5 В протягом не больше 50 мс з періодичністю не менше 0,5 с. Крім того, допускаеться підвищення вхідної напруги при умові збільшення опору навантаження 3,2 Ом; при цьому вихідна потужність повинна бути не більше 5,5 Вт.

Дозволяється експлуатація мікросхеми при і . Необхідно застосування радіатора з тепловим опором не більше 6° С/Вт при . При закріпленні мікросхеми до тепловідводу рекомендується застосовувати пасту КПТ-8 (ГОСТ 19783-74).

Не допускається перевищення температури корпуса вище 100° С.

Дозволяється експлуатація мікросхеми з и (при цьому вихідна потужність знижується).

Програма роботи

 

1. Зiбрати схему дослiдження інтегрального пiдсилювача напруги.

2. Зняти амплiтудну характеристику пiдсилювача.

3. Зняти амплiтудно-частотну характеристику пiдсилювача.

4. Визначити характер внесених спотворень підсилюваного сигналу.

 

Опис схеми дослiдження пiдсилювача напруги

 

 

 

Рис.7.2. Схема дослiдження інтегрального пiдсилювача напруги.

 

Порядок виконання роботи

1. На монтажнiй панелi зберiть схему дослідження пiдсилювача напруги згiдно з рис.7.2. Пiд'єднайте пiдсилювач до блока живлення +15 V. Ручку регулювання напруги “+15 V” виведiть в крайнє лiве положення. Вхiд пiдсилювача з’єднайте з виходом генератора сигналiв . До входу пiдсилювача пiд'єднайте мультиметр Ф4372. Вхiд осцилографа пiдключiть паралельно до резистора навантаження R5.

Пiсля перевiрки схеми викладачем включiть прилади. З блока живлення

+15 V подайте напругу живлення, рiвну 15 V.

2. При вiдсутностi вхiдного сигналу проведiть вимiрювання споживаного струму спокою інтегрального підсилювача за допомогою тестера при різних заченнях опору навантаження. Дані вимірювань занесіть до табл.7.1.

 

Таблиця 7.1.

Rн,Ом	Ісп , А

 

3.Для зняття амплiтудної характеристики на частотi 1000 Гц змiнюйте напругу генератора сигналiв вiд 0 V і до величини, при якiй наступають помiтнi обмеження амплітуди вихiдного сигналу. Вимiрювання дiючого значення вхiдної i вихiдної напруг пiдсилювача проводьте за допомогою мультиметра. При цьому вхiд мультиметра почергово переключайте з входу на вихiд пiдсилювача i навпаки.

Данi вимiрювань занесiть до табл.7.2.

 

Таблиця 7.2.

Uвх, V
Uвих ,V

 

За даними табл.7.2 побудуйте амплiтудну характеристику пiдсилювача.

4. Для зняття амплiтудно-частотної характеристики пiдсилювача встановiть вхiдний сигнал на половинi значення, при якому починається обмеження амплiтуди вихiдного сигналу (20 mV). Пiдтримуючи вхiдну напругу постiйною, змiнюйте частоту вхiдного сигналу в межах 20...20000 Гц з кроком 200 Гц i вимiряйте дiюче значення вихiдної напруги мультиметром.

Данi занесiть у табл.7.3.

 

Таблиця 7.3

f, Гц
Uвх, V
Uвих, V
K

 

За даними табл.7.3 розрахуйте коефiцiєнт пiдсилення i побудуйте амплітудно-частотну характеристику ынтегрального пiдсилювача напруги.

 

5. Перемключаючи перемикач форми сигналів на ГС, і знімаючи осцилограми на навантаженні, встановити які спотворення вносить підсилювач у форму вихідного сигналу, які сигнали найбільше та найменше спотворюються.

7.6. Контрольнi запитання

1. За якими ознаками класифiкуються пiдсилювачi?

2. Якi основнi характеристики пiдсилювачiв напруги?

3. Як класифікуються мікросхеми?

4. В чому полягає планарно-дифузійна технологія виготовлення мікросхем?

5. В чому полягає планарно-епітаксійна технологія виготовлення мікросхем?

6. Якi переваги мають інтегральні підсилювачі?

7. Які пристрої входять до складу мікросхеми К174УН14?

8. Вiд чого залежить величина коефiцiєнта пiдсилення каскаду зi спiльним емiтером?

9.Якi особливостi емiтерних повторювачiв?

10.Якi вiдмiнностi пiдсилюючих каскадiв з польовими транзисторами?

Робота 8. Дослідження операційного підсилювача

 

Мета роботи

 

Ознайомитись з особливостями електричних схем і роботою операційних підсилювачів. Вивчити роботу операційного підсилювача з програмованим коефіцієнтом підсилення.

 

Теоретичні відомості

 

Операційними підсилювачами називають диференціальні підсилювачі постійного струму з великим коефіцієнтом підсилення (десятки тисяч), великим вхідним опором (одиниці мегаом) та незначним дрейфом нуля. Вони призначені для виконання таких елементарних математичних операції над аналоговими (неперервними) сигналам як сумування, диференціювання, інтегрування, перемноження, логарифмування. Операційні підсилювачі знаходять широке використання в електричних засобах автоматизації. Вони є основними аналоговими елементами аналогових обчислювальних машин і аналогових обчислювальних пристроїв.

Операційні підсилювачі працюють зі зворотними від'ємними зв'язками. Під зворотним зв’язком розуміють електричний зв’язок, через який частина енергії з виходу підсилювача поступає на його вхід. Зворотний зв’язок здійснюється через елементи, які можна розглядати як чотириполюсник з коефіцієнтом передачі . Глибина зворотного зв’язку визначається величиною . Розрізняють зворотні зв’язки за напругою, за струмом і комбіновані.

При зворотному зв’язку за напругою коло зворотного зв’язку підмикається паралельно до навантаження підсилювача, а напруга зворотного зв’язку прикладається паралельно до входу підсилювача (рис.8.1, а). При цьому напруга зворотного зв’язку . Якщо ж зворотний зв’язок здійснюється за допомогою резистора невеликого опору , включеного послідовно з навантаженням, то його називають зворотним зв’язком за струмом і (рис.8.1, б). Обидва способи можуть застосовуватися одночасно - тоді зворотний зв’язок буде комбінований.

Напруга зворотного зв’язку може подаватися на вхід підсилювача послідовно з напругою вхідного сигналу (послідовний зворотний зв’язок) або паралельно (паралельний зворотний зв’язок).

При від’ємному зворотному зв’язку напруга зворотного зв’язку діє у протифазі із вхідною напругою, при додатному - співпадає з вхідною напругою.

 

а) б) в)

 

Рис. 8.1. Структурні схеми підсилювачів зі зворотними

зв’язками: а- за напругою паралельний; б- за струмом

паралельний; в- за напругою послідовний.

 

Вид операції, яку реалізує підсилювач, залежить від величини і характеру елементів, включених у коло зворотного зв'язку. Вираз для коефіцієнта підсилення операційного підсилювача з від’ємним зворотним зв’язком, утвореним резисторами R1 i R2 (рис. 8.2), можна знайти так.

 

Рис. 8.2. Схема операційного підсилювача

з резистивним зворотним зв’язком.

 

За першим законом Кірхгофа для вузла А є справедливо

. /1/

На основі закону Ома запишемо вирази для струмів I₁ i I₂

. /2/

Вхідним струмом I_вх можна знехтувати, так як вхідний опір операційного підсилювача дуже великий. За цих умов рівняння /1/ приймає вигляд

. /3/

Напруга U₁ вузла А зв'язана з вихідною напругою через коефіцієнт підсилення підсилювача K_u без зворотного зв'язку

/4/

Після підстановки /4/ у /3/ отримуємо

. /5/

Рівняння /5/ можна перетворити до виду

. /6/

Розв’язавши рівняння /6/ відносно U_вих/U_вх, знаходимо вираз для визначення коефіцієнта підсилення операційного підсилювача з від’ємним зворотним зв’язком

, /7/

При великому значенні К_u вирази і є малими величинами і ними можна знехтувати. За цієї умови остаточно отримуємо

. /8/

З виразу /8/ видно, що коефіцієнт підсилення операційного підсилювача зі зворотним зв’язком визначається співвідношенням величин опорів, включених у коло від’ємного зворотного зв’язку, і не залежить від параметрів самого підсилювача. В розглянутій схемі підсилювача реалізується функція масштабування вхідної величини, тобто множення її на масштабний коефіцієнт, рівний . Наявність від’ємного зв’язку стабілізує також величину коефіцієнта підсилення та зменшує спотворення вихідного сигналу.

Вмикаючи різні елементи у коло зворотного зв’язку, можна отримувати різні передаточні функції, які відповідають певним математичним перетворенням аналогових сигналів. На рис. 8.3 приведені схеми операційних підсилювачів, які реалізують операції сумування і інтегрування. Можна показати, що для напруги на виході суматора (рис.8.3,а) справедливий вираз . При ввімкненні у коло зворотного зв’язку конденсатора С (рис. 8.3,б) підсилювач реалізує операцію інтегрування . Передаточна функція інтегратора W(p) = K/p, де .

а) б)

 

Рис.8.3.Схеми суматора (а) і інтегратора (б).

 

Схеми диференціюючого і аперіодичного підсилювачів приведено на рис.8.4.

 

а) б)

Рис.8.4.Схеми і передаточні функції диференціюючого (а) і аперіодичного (б) підсилювачів.

 

В даний час операційні підсилювачі виготовляють у вигляді інтегральних мікросхем. З принципами побудови операційних підсилювачів можна ознайомитись на прикладі спрощеної електричної схеми інтегральної напівпровідникової мікросхеми К140УД1 (рис.8.5).

 

 

Рис.8.5.Спрощена схема операційного підсилювача К140УД1.

 

Схема підсилювача складається з трьох каскадів. Перший каскад є симетричним диференціальним підсилювачем, виконаним на транзисторах VT1 i VT2. В емітерне коло транзисторів замість резистора ввімкнуто стабілізатор струму на транзисторі VT3. Стабілізатор чинить малий опір для постійної складової струму емітерів, але великий - для змінної складової, що значно покращує характеристики каскаду. Напруги вхідних сигналів можна прикладати між базами транзисторів VT1, VT2 і загальним провідником, потенціал якого рівний нулю. З колекторів транзисторів VT1, VT2 підсилена напруга поступає безпосередньо на входи другого каскаду.

Другий каскад підсилювача - балансний несиметричний, виконано на транзисторах VT4 і VT5. З колектора транзистора VT5 підсилений сигнал через подільник напруги, утворений резисторами R9 i R10, передається на вхід третього вихідного каскаду підсилювача. Опори R9 i R10 підібрані таким чином, що при відсутності вхідної напруги вихідна напруга каскаду рівна нулю. Вихідний каскад на транзисторі VT6 є емітерним повторювачем і служить для підсилення потужності та узгодження опорів підсилювача і навантаження. В дійсності, для забезпечення високого коефіцієнта підсилення та стабільності роботи підсилювача в широкому частотному діапазоні вихідні каскади виконуються за значно складнішими схемами. Живлення підсилювача двополярне. Джерела живлення вмикають послідовно, а точку їх сполучення з’єднують з загальним провідником.

Програма роботи

 

1.Ознайомитися з монтажною схемою підсилювача з програмованим коефіцієнтом підсилення.

2.Встановити плату з досліджуваним підсилювачем в роз’єднувач блока керування і комутацій (БУК).

3.Перевірити напруги живлення операційного підсилювача та провести його балансування.

4.Визначити коефіцієнт підсилення підсилювача для різних комбінацій керуючих сигналів.

5.Ознайомитись з основними параметрами мікросхеми К140УД8.

 

Опис схеми дослідження

Рис.8.6. Принципова електрична схема операційного

підсилювача з програмованим коефіцієнтом підсилення.

(Резистори R1=2 кОм; R2, R3=16 кОм; R4=10 кОм; R5=18 кОм; R6=2 кОм; R7=200 Ом; транзистори VT1,VT2-KП103Л; мікросхема DA1-К140УД8).

 

В лабораторній роботі досліджується операційний підсилювач з програмованим коефіцієнтом підсилення, виконаний на основі інтегральної мікросхеми DA1. Величина коефіцієнта підсилення змінюється ступінчасто подачею комбінації сигналів низького і високого рівнів на затвори польових транзисторів VT1 i VT2, які працюють у ключовому режимі. Підсилювач працює з від’ємним паралельним зворотним зв’язком за напругою. В коло зворотного зв’язку ввімкнуті резистори R1, R2, R3, R4. Паралельно до резисторів при низькому (близькому до нуля) рівні сигналів на керуючих входах H1 i H2 польові транзистори відкриті і шунтують резистори R2 i R3 у колі зворотного зв’язку. При цьому коефіцієнт підсилення К=R5/R1. Якщо змінити рівень сигналу на затворі VT2 на високий, то транзистор закриється і в коло зворотного зв’язку буде введено резистор R3, відповідно К=(R5+R3)/R1. Формули для розрахунку коефіцієнта підсилення при різній комбінації сигналів керування зведено в табл. 8.1.

 

Таблиця 8.1

H1	H2	K
		R5/R1
		(R5+R3)/R1
		R5/(R1+R2)
		(R5+R3)/(R1+R2)

 

0 - низький рівень сигналу керування

1 - високий рівень сигналу керування

 

Живлення підсилювача двополярне: +15, -15V. Підстроювальний резистор R4 служить для точного балансування операційного підсилювача. На вхід підсилювача подаються сигнали з виходу генератора аналогових сигналів ГН1. Вихід підсилювача з’єднано з каналом проходження аналогових сигналів КПИ9. Підсилювач змонтовано на платі змінних пристроїв УС2 лабораторного комплекту К32.

 

Порядок виконання роботи

 

Робота виконується на комплекті лабораторного обладнання К32.

1. Ознайомлення з монтажною схемою підсилювача з програмованим коефіцієнтом підсилення проводять за платою змінного пристрою УС2, користуючись принциповою електричною схемою рис.8.6. При цьому вивчають розташування елементів на платі друкованого монтажу, характер з’єднань і функціональне призначення виводів роз’єднувача.

2. Плату змінного пристрою УС2 з касетою встановіть в роз’єднувач БУК. Касету закріпіть гвинтами, які одночасно вмикають кінцеві вимикачі, що розблоковують подачу живлення на роз’єднувач БУК. Приєднайте вхід мультиметра “300 V max” до гнізд контролю постійної напруги “КОНТРОЛЬ V=”.

3. В присутності викладача ввімкніть живлення БУК і натисніть кнопки +5, +15, -15 V. Виберіть режим роботи мультиметра V- і граничне значення 100 V. Включіть мультиметр і ручками керування з позначеннями N добийтеся чіткого зображення цифр на екрані електронно-променевої трубки. Натискаючи почергово кнопки +5, +15, -15, об’єднані в групу “КОНТРОЛЬ V-”, перевірте величини напруг блока живлення. Проконтролюйте напругу на виході підсилювача при відсутності вхідного сигналу. При необхідності проведіть точне балансування підсилювача підстроювальним резистором R4.

4. Натисніть кнопку ГН1 з групи кнопок “КОНТРОЛЬ U=” для з’єднання входу мультиметра з виходом генератора постійної напруги і ручками керування генератора встановіть напругу рівну -1 V. Прослідкуйте щоб кнопки генератора ГН1 і КВУ були віджаті, а кнопка КВУ була натиснутою. Від’єднайте мультиметр від гнізд контролю постійної напруги і приєднайте до гнізд контролю змінних сигналів “ВИХОД V~”. Натисніть кнопку ВХ2 з групи “КОНТРОЛЬ V~” для під’єднання каналу КПИ9 до гнізд “ВИХОД V~”.Натискаючи почергово кнопки Н1 і Н2 з групи “ПРОГРАМАТОР КОДОВ”, створюйте комбінації керуючих сигналів на затворах ключів VT1, VT2 і вимірюйте значення вихідної напруги мультиметром. При натисканні кнопок Н1 і Н2 загораються світлодіоди, а рівень сигналу змінюється з низького (0) на високий (1). Дані занесіть в табл.8.2.

 

Таблиця 8.2

H1	H2	Uвх, V	Uвих, V	K

 

За даними табл. 8.2 визначіть експериминтальні значення коефіцієнта підсилення і порівняйте з очікуваними, розрахованими за формулами табл.1.

5. З довідкової літератури випишіть основні параметри мікросхеми типу К140УД8 та замалюйте розташування виводів на корпусі мікросхеми.

 

8.6.Контрольні запитання

 

1.Які підсилювачі називають операційними?

2.Які зворотні зв’язки використовуються в операційних підсилювачах?

3.Чим визначається коефіцієнт підсилення операційного підсилювача?

4.Нарисуйте структурну схему операційного підсилювача для сумування трьох аналогових сигналів.

5.Яка структурна схема інтегруючого підсилювача?

6.Яка структурна схема диференціюючого підсилювача?

7.Які принципи побудови операційних підсилювачів в інтегральному виконанні?

8.Яке застосування знаходять операційні підсилювачі з програмованим коефіцієнтом підсилення?